寶泉抽水蓄能電站地下洞室?guī)r爆防治與處理

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

1 工程地質概況

河南寶泉抽水蓄能電站C4標地下廠房洞室群，主要建筑物包括主、副廠房系統(tǒng)、主變室、尾閘室及輔助洞室，進廠交通洞、通風兼廠頂施工支洞(1#施工支洞)、出線洞等。尾水系統(tǒng)主要建筑物包括尾水支管、尾水隧洞和尾水檢修閘門井等。

地下廠房布置于下水庫左岸的狼山山體內。狼山地形以元古界汝陽群(Pt22ry)陡崖為界，以上為中山斜坡地形，以下為峪河河谷，呈深切“U”型谷，谷底高程180m，與兩側山頂高差近1000m。廠房上覆巖體厚430m～540m，圍巖涉及的地層主要為太古界登封群(Ar)，主要為灰、淺灰、灰白色黑云母斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖和花崗巖狀片麻巖。廠房部分圍巖為致密堅硬的花崗巖狀片麻巖，無斷層通過，節(jié)理不發(fā)育，局部發(fā)育，巖體較完整～完整，縱波速為4200m/s～5800m/s，RQD值在90%以上，圍巖為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定性好的Ⅰ～Ⅱ類巖體。

主變室位于主廠房下游，與廠房間的巖墻厚35m，工程地質條件與廠房相似，巖性為新鮮黑云母斜長片麻巖，無斷層通過，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石質量指標RQD加權平均值為95%，巖體縱波速4200m/s～5800m/s，巖體呈較完整～完整，圍巖為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定性好的Ⅰ～Ⅱ類圍巖。

尾水隧洞圍巖為花崗巖狀片麻巖、黑云母斜長片麻巖，上覆山體厚60m～340m，巖石呈弱風化～新鮮，總體上斷層不發(fā)育，節(jié)理裂隙較發(fā)育，見滲滴水，以整體塊狀結構居多，圍巖以Ⅰ～Ⅱ類為主。

根據(jù)招標階段的地質資料，新鮮完整的黑云母斜長片麻巖干抗壓強度達138.33MPa?？尚行匝芯侩A段，在深1孔(地面高程777.67m，孔深362.4m)采用鉆孔水壓致裂法，PD05探洞采用洞壁應力解除法進行了地應力測試，試驗成果分別見表1。

招標設計階段，在PD05-1探洞內進行了兩組水壓致裂法三維地應力測試，在PD05-2探洞內進行了一組(ZKX11孔內)水壓致裂法二維地應力測試，測試成果分別見表2和表3。

表1 深1孔水壓致裂地應力測試成果

巖組孔深SHShSv(m)大小(MPa)方向(o)(MPa)(MPa)P2t2ry138 5211 893256 623 59153 729 4828 54 863 98171 468 233434 014 44196 689 67-4 955 09209 279 83324 925 42230 1712 21-6 185 96256 7910 3-5 106 65Ar287 458 98164 967 44308 2010 98338 56 007 98337 8010 49-5 758 75348 0511 71386 609 01

表2 PD05探洞應力解除法地應力測試成果

地應力σ1σ2σ3量值(MPa)方位(o)傾角(o)量值(MPa)方位(o)傾角(o)量值(MPa)方位(o)傾角(o)761m處17 42N67 1E86 712 45S24 3W2 47 61S65 7E-2 2827m處18 62N75 0E45 912 33S30 2W34 56 65N42 2W23 8

表3 ZKX11孔水壓致裂地應力測試成果

序號測試段深度(m)壓力參數(shù)(MPa)應力值(MPa)PbPrPsPhP0TShSHSH方向14 23～4 9717 5513 058 050 00504 508 0511 0928 73～9 4721 0916 0912 590 00905 0012 5921 68N35°E314 73～15 47/17 6514 150 150/14 1524 80419 23～19 9717 7015 2011 200 2002 5011 2018 39523 73～24 4715 8411 749 240 2404 109 2415 98N30°E629 73～30 4711 8010 306 300 3001 506 308 60734 23～34 9714 559 856 850 3504 706 8510 69N32°E840 23～40 9713 919 917 910 4104 007 9113 81945 23～45 9714 969 966 960 4605 006 9610 911050 73～51 4715 0110 017 510 5105 007 5112 521155 23～55 97/13 0610 060 560/10 0617 111259 73～60 4712 109 606 600 6002 506 6010 201365 73～66 4718 8614 6611 660 6604 2011 6620 32

以上表中，鉆孔靜水位0.00m，Pb為巖石破裂壓力，Pr為裂縫重張壓力，Ps為裂縫瞬時關閉壓力，Ph為靜水壓力，P0為孔隙水壓力，T為巖石拉張強度，Sh為最小水平主應力，SH為最大水平主應力。

2 巖爆的現(xiàn)象、特征和規(guī)律

2.1 巖爆的產生、分級及分類

地下工程穿越堅硬圍巖且處于高應力地區(qū)時，常常由于圍巖的應力超過圍巖的強度而使圍巖發(fā)生突然破壞，并伴隨產生塊體的彈射、拋擲、震動、聲響等釋放內部較大的彈性應變能的現(xiàn)象，稱為巖爆。巖爆是地下工程開挖施工中發(fā)生在高地應力、完整脆性巖體內的一種地質災害，極大地威脅著施工人員和設備的安全。挪威的羅申斯(Russenes)將巖爆的活動性分為四級，其具體分級見表4。

表4 Russenes巖爆分級

巖爆分級現(xiàn)象描述零無巖爆。無巖石應力引起的不穩(wěn)定問題，巖石中無聲音。一低巖爆活動性。有使巖石松弛和開裂的跡象，巖石中略有聲音。二中等巖爆活動性。巖石大量成片或松弛，有隨時間發(fā)生周界變形的趨勢，巖石中有強烈的開裂聲。三高巖爆活動性。放炮后邊頂拱即有嚴重的掉塊，底板成片狀破裂或拱起，洞壁有嚴重的破裂和變形，響聲如槍聲。

根據(jù)表4分級，結合我國的一些大中型水電工程所發(fā)生的巖爆特征，充分借鑒我局在四川冷竹關、瀑布溝、福堂水電站等工程的實際經驗，分析巖爆發(fā)生的條件、特征，提出巖爆分類(見表5)。

表5 巖爆分類

巖爆分類特 征松動脫落型圍巖呈塊、板、片狀松動掉落，聲音細微，偶爾聽見噼劈啪啪的響聲，無彈射現(xiàn)象，頂板有巖塊自由落體。爆裂彈射型巖塊彈射或巖粉噴射，爆裂聲響如槍聲，彈射的巖塊最大不超過0 5m3，彈射的巖石可傷人，對機械和隧洞結構無大的影響。爆炸沖擊型巨石沖擊，聲響巨大，巖塊體積達數(shù)立方米，巖塊沖擊拋投距離達20m左右，巖塊對人員、機械和隧洞結構都有大的傷害，但其震動不會造成太大的損壞。深部地震型由于洞室開挖靠近斷層、巖脈，從而引起能量聚集，在圍巖深部產生地震。

2.2 巖爆的現(xiàn)象、特征和判別

f7斷層地質帶橫穿進廠交通洞，圍巖屬Ⅲ、Ⅳ類圍巖，自穩(wěn)時間較短，早期圍巖壓力增長快。為避免產生巖爆，在開挖后，除立即采用錨噴系統(tǒng)支護外，根據(jù)實際情況，進行強支撐。通過超前錨桿支護、鋼支撐與錨桿和噴混凝土的聯(lián)合作用，可承受開挖后引起的松弛與變形壓力。2004年10月7日上午10∶30，進廠交通洞樁號1+348.5m～1+353.5m左側拱肩發(fā)生巖爆，在出完碴2h后，圍巖發(fā)出噼啪聲，施工人員立即撤至安全區(qū)域，采取待避措施；12min后，一聲巨響，兩、三塊大石頭掉落在施工平臺架子上(石塊長約1.5m，寬約1.2m，厚約0.6m)，將架子砸變形；以后大約每隔10min響一聲，同時不時有小巖塊掉落。直至2004年10月9日上午9∶30后，噼啪聲減弱，巖爆區(qū)圍巖趨于穩(wěn)定，形成0.6m～1.0m深的巖爆坑，坑的影響半徑為2m～3m，現(xiàn)場打鉆平臺被砸爛。

從彈射程度上看，交通洞巖爆基本上屬于弱彈射或無彈射。從爆落的巖體看，有體積較大的塊體和體積較小的薄片；薄片的形狀呈中間厚、四周薄的貝殼狀，其長與寬方向尺寸相差不懸殊，但周邊厚度方向參差不齊；塊體的形狀多為有一至兩組的平行裂面，巖塊幾何尺寸均較小，一般在40cm×45cm×(5～20)cm范圍內。從巖爆坑的形態(tài)看，為窩狀形，基本上為一次爆裂成窩狀，破壞與聲響基本同步。由上述表現(xiàn)分析，交通洞巖爆屬于輕微、松動脫落型巖爆。

在交通洞完成巖爆段處理后，繼續(xù)進占，掘進至1+460m～1+370m區(qū)域，巖石裂隙發(fā)育，節(jié)理切割，出現(xiàn)多處點狀滲水，并在1+369m～1+372m段出現(xiàn)斷層。

2.3 巖爆發(fā)生后的處理措施

2.3.1 立即停止鉆爆施工，撤退施工人員，派專人觀察，并作好巖爆記錄及攝像資料。

2.3.2 當大的巖爆消失后，采用反鏟敲擊巖爆范圍內巖石，引誘余震盡快發(fā)生，并將松動塊體清撬干凈。

2.3.3 對樁號1+348.5m～1+353.5m處巖爆影響范圍、樁號1+341m～1+343m拱肩以上部位進行支護，支護參數(shù)：錨桿直徑φ25mm，L=450cm，@=150cm，外露10cm；噴鋼纖維混凝土CF30厚8cm+2cmC30混凝土。支護工作必須在巖爆發(fā)生后的2d～3d后進行，防止余爆造成傷害事故。

2.4 對交通洞巖爆的分析

通過對交通洞1+348.5m～1+353.5m巖爆的分析，結合我局在其他地下工程的經驗，認為交通洞巖爆分布有以下幾個規(guī)律：

2.4.1 巖爆均發(fā)生在干燥無水、新鮮、完整、堅硬的巖體中。

2.4.2 巖爆區(qū)段的洞室垂直埋深在450m～700m之間，埋深大。河谷下切，岸坡陡峻的地形亦可能形成較高的地應力(盡管側向埋深不大)。

2.4.3 巖爆可能大多發(fā)生在洞頂拱以下、拱腳以上區(qū)域。

2.4.4 巖爆頻率與距掌子面距離存在一定的聯(lián)系。通過查閱到的巖爆資料分析得知，巖爆有兩個高發(fā)區(qū)，第一個高發(fā)區(qū)是在距掌子面2m～3m以內，往后逐漸減少，至1倍～1.5倍洞徑處形成第二個高發(fā)區(qū)，隨后逐漸減弱；但也有距掌子面數(shù)百米距離發(fā)生巖爆的例子。

2.4.5 在巖爆區(qū)域后，可能會出現(xiàn)裂隙、節(jié)理發(fā)育、斷層等地質缺陷。

3 防治巖爆的施工措施

鑒于寶泉地下廠房洞室群巖石新鮮完整、地應力高的特點，所采用的防治巖爆的方法立足于減輕或避免巖爆傷人毀機及導致圍巖大面積失穩(wěn)的目標。按照“科學識辯、穩(wěn)扎穩(wěn)打、步步為營、安全第一、不盲目冒進”的指導思想，遵循“以防為主、防治結合、多種手段綜合治理”的原則進行施工和防治巖爆。

3.1 開挖爆破方法

3.1.1 采用光面控制爆破，保證隧道開挖輪廓整齊圓順，以避免應力集中。

3.1.2 采用“短進尺，弱爆破”。頂拱采用小藥卷光面爆破，拉大不同部分炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時間，減少對圍巖的爆破擾動，減少爆破動應力的疊加，控制爆破裂隙的生成，避免由于爆破誘發(fā)巖爆，從而降低巖爆頻率和強度。巖爆嚴重的地段，將全斷面開挖改為小導洞開挖，以使應力逐步釋放，到達降低巖爆危害程度的目的。

3.1.3 在巖爆多發(fā)易發(fā)段，考慮到全斷面一次鉆孔對圍巖擾動大，易誘發(fā)巖爆，故鉆孔作業(yè)分兩步進行。先進行上半部鉆孔，既能讓工人提高警惕性，防止巖爆傷人(距掌子面2m～3m以內為巖爆高發(fā)區(qū))，又能使拱部空孔釋放部分應力，以減少下半部鉆孔作業(yè)時對人的威脅。較小斷面采用中導洞領先一個鉆孔進尺。

3.1.4 巖爆具有突發(fā)的特點，極易對人機造成傷害。因此，施工中采用鑿巖臺車造孔、噴混凝土機械手噴漿等較先進的手段，可減少巖爆對作業(yè)人員的傷害。

3.1.5 巖爆發(fā)生后，伴隨著巨大的響聲和飛石，會使作業(yè)人員產生恐懼的心理。因此，在巖爆減弱后，采用反鏟到達巖爆區(qū)，用反鏟敲擊爆區(qū)四周，并清理松動巖石，引誘巖爆盡快徹底發(fā)生，消除作業(yè)人員恐懼心理、加快通過爆區(qū)的效果明顯。

3.2 支護型式

巖爆的成因主要取決于地質條件、地應力條件和施工觸發(fā)因素。為減輕巖爆的危害，很重要的一條就是在洞室開挖前和開挖后對圍巖采取支護措施，改善其應力大小和分布，并且還能起到防護作用，防止巖石彈射和剝落造成事故，從而達到減輕巖爆危害的目的。施工期間，根據(jù)圍巖變化，由地質人員分析推測前方圍巖狀況，從圍巖完整性、強度、地下水、是否存在斷層等情況，超前預報掌子面前方圍巖是否會有巖爆產生。開挖后，根據(jù)已發(fā)生巖爆特征，結合現(xiàn)場觀察巖塊形狀、爆坑大小、彈射強度、人工聽聲等手段，判定巖爆強度，并有針對性地采取了支護措施。

3.2.1 徑向錨桿+素噴混凝土支護。對于滯后型和重復型巖爆，為防止巖爆的發(fā)生，減少巖爆對施工人員和設備的安全威脅，設置了徑向錨桿，必要時補噴了素混凝土5cm～8cm。錨桿直徑φ22mm，呈梅花型布置，間距1m～1.5m，長度為3.0m。

3.2.2 徑向錨桿+鋼筋網+噴混凝土支護。巖爆發(fā)生后圍巖會產生一個松動圈，厚度1m～2m。為防止地質環(huán)境繼續(xù)惡化，發(fā)生坍塌，采用這種支護型式可防治較大規(guī)模的滯后型巖爆。本支護類型維護圍巖能力強，其彈模與天然巖體彈模接近，與圍巖密貼，可有效地使應力向圍巖深部轉移，是一種經濟有效的防治巖爆的支護措施。

3.2.3 徑向錨桿+噴鋼纖維混凝土。為快速形成支護屏障，縮短掛網時間，采用此類支護形式。鋼纖維采用江西贛州大業(yè)產鋼纖維，摻量(30～40)kg/m3，噴混凝土采用TK961濕噴機。較普通混凝土，鋼纖維混凝土顯著提高了噴混凝土的抗拉強度和韌度系數(shù)，在防治巖爆支護中可取代鋼筋網、減薄噴混凝土層的厚度，技術上安全可行，總造價比掛鋼筋網噴混凝土節(jié)約10%，而且還因取消掛網而節(jié)省了時間。

3.3 其他輔助措施

3.3.1 噴灑高壓水。爆破后立即向工作面及之后約15m范圍內的隧洞周邊噴灑高壓水，改變巖石的表面物理力學性質，降低巖石脆性、增強塑面性，達到減弱巖爆劇烈程度的目的。此法適用于輕微或中等程度的巖爆。

3.3.2 預先在可能發(fā)生巖爆的部位，有規(guī)則地打一些空孔，以便釋放應力，阻止圍巖達到極限應力而產生巖爆。

3.3.3 當判定巖爆即將發(fā)生時，施工人員和機械立即撤離作業(yè)現(xiàn)場待避。

3.3.4 強化作業(yè)人員的安全紀律教育及巖爆常識、防護知識的學習；嚴格執(zhí)行有關技術和安全規(guī)程；危險地段增設照明并設醒目標志。

4 總結

4.1 地下洞室開挖后，由于卸載的回彈，釋放了一部分能量，使洞室周邊切向產生擠壓形成加載，并產生應力集中，這種不利的應力分布和能量積聚，導致洞室局部地方發(fā)生破壞。因此，假如能夠在巖爆部位減緩應力集中和能量積聚，使之向圍巖深部轉移或釋放，就可以減輕或避免巖爆。

4.2 根據(jù)現(xiàn)場經驗表明，在開挖后0～4h時段內，即頂拱安全處理和裝渣時因擾動圍巖，巖爆活動的頻率較高，巖石破壞厚度也較大；開挖后15h～20h時段內，巖爆發(fā)生的頻率也較高，此時正值掌子面15m范圍內施作錨桿、掛網支護期間，對作業(yè)工人安全威脅極大，可采取“躲”的策略，有意識地避讓巖爆的高發(fā)時段和地段。

4.3 巖爆發(fā)生后，出現(xiàn)巖塊的爆落勢必會造成隧洞的超挖。在施工中采取合理而有效的巖爆防治措施，對于降低工程造價將有一定的現(xiàn)實意義。

5 結語

由于巖爆能夠造成開挖工作面嚴重破壞、設備損壞乃至人員傷亡，故已成為巖石地下工程和巖石力學領域的世界性難題。目前，針對巖爆的預防及處理經驗尚不成熟，并不能完全避免巖爆的傷害。通過對寶泉抽水蓄能電站地下洞室在巖爆處理方面的經驗總結，可為類似地下洞室工程施工提供借鑒。